Uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida
Summary
Este trabalho relata uma ponta de silicone fibra óptica sensoriamento plataforma inovadora (Si-FOSP) para medição de alta resolução e resposta rápida de uma variedade de parâmetros físicos, como temperatura, fluxo e radiação. Aplicações deste Si-FOSP abrangem de investigação oceanográfica, indústria mecânica, a investigação sobre energia de fusão.
Abstract
Neste artigo, apresentamos uma inovador e promissor praticamente fibra óptica sensoriamento plataforma (FOSP) que propôs e demonstrado recentemente. Este FOSP depende de um interferômetro de Fabry-Perot de silício (FPI) anexado à extremidade da fibra, referida como Si-FOSP neste trabalho. O Si-FOSP gera uma interferogramas determinada pelo comprimento do percurso óptico (OPL) da cavidade de silício. Mensuranda altera o OPL e, assim, desloca a interferogramas. Devido as propriedades únicas de ópticas e térmicas do material do silicone, este Si-FOSP apresenta um desempenho vantajoso em termos de sensibilidade e velocidade. Além disso, a indústria de fabricação de silício maduro dota a Si-FOSP com excelente reprodutibilidade e baixo custo para aplicações práticas. Dependendo as aplicações específicas, será utilizada uma versão fineza de baixa ou alta-fineza, e dois métodos de demodulação de dados diferentes serão adoptados em conformidade. Protocolos detalhados para fabricar as duas versões de Si-FOSP serão fornecidos. Três aplicações representativas e seus resultados de acordo serão mostrados. O primeiro que é um termômetro subaquática de protótipo para criação de perfil thermoclines o oceano, o segundo é um medidor de fluxo para medir a velocidade de fluxo no oceano, e o último é um Bolómetro para monitorar radiação escape de magnètica confinados plasma de alta temperatura.
Introduction
Sensores de fibra óptica (FOSs) têm sido o foco de muitos pesquisadores, devido a suas propriedades únicas, tais como o seu pequeno tamanho, baixo custo, sua leveza e sua imunidade à interferência eletromagnética (EMI)1. Estes FOSs tem encontrado aplicações largas em muitas áreas como monitoramento ambiental, vigilância do oceano, exploração de petróleo e processos industriais, entre outros. Quando se trata do sensoriamento de temperatura-relacionada, o FOSs tradicional não são superiores em termos de resolução e velocidade para os casos onde a medição de minuto e variações de temperatura rápida é desejável. Estas limitações decorrem as propriedades ópticas e térmicas do material em que se baseiam muitos FOSs tradicional sílica fundida. Por um lado, o coeficiente thermo-óptica (TOC) e o coeficiente de expansão térmica (TEC) de sílica são 1.28×10-5 RIU / ° C e 5.5×10-7 m/(m·°C), respectivamente; esses valores levam a uma sensibilidade de temperatura de apenas cerca de 13 pm / ° C em torno do comprimento de onda de 1550 nm. Por outro lado, a difusividade térmica, que é uma medida da velocidade da temperatura muda em resposta a troca de energia térmica, é só 1.4×10-6 m2/s para sílica; Esse valor não é superior para melhorar a velocidade de FOSs baseada em sílica.
A plataforma de sensoriamento de fibra óptica (FOSP) relatada neste artigo rompe as limitações acima do FOSs baseada em sílica fundida. O novo FOSP utiliza silício cristalino como a chave de detecção de material, que forma um interferômetro de Fabry-Perot de alta qualidade (FPI) na extremidade da fibra, aqui referida como FOSP ponta de silício (Si-FOSP). A Figura 1 mostra o princípio esquemático e operacional da cabeça do sensor, que é o núcleo do Si-FOSP. A cabeça do sensor consiste, essencialmente, um silicone FPI, cujo espectro de reflexão apresenta uma série de franjas periódicas. Interferência destrutiva ocorre quando o OPL satisfaz 2nL = Nλ, onde n e L são o índice de refração e comprimento da cavidade de silício FP, respectivamente, e N é um número inteiro que é a ordem do entalhe franja. Portanto, posições de franjas de interferência são sensíveis para o OPL da cavidade de silício. Dependendo as aplicações específicas, o silício FPI pode ser feito em dois tipos: FPI fineza de baixa e alta-fineza FPI. Baixo-fineza FPI tem uma baixa refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício, enquanto alto-fineza FPI tem uma alta refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício. Os reflectivities de interfaces ar-silício e silício-fibra são aproximadamente 30% e 18%, assim o único silício FPI mostrado na Figura 1a é essencialmente um baixo-fineza FPI. Revestindo com uma camada fina de alta-refletividade (HR) em ambas as extremidades, um silicone de alta-fineza que FPI é formado (Figura 1b). Refletividade do revestimento HR (dielétrico ou ouro) pode ser tão elevada como 98%. Para ambos os tipos de Si-FOSP, n e L aumentam quando a temperatura aumenta. Assim, ao monitorar o deslocamento da franja, pode-se deduzir a variação de temperatura. Observe que para a mesma quantidade de mudança de comprimento de onda, alta-fineza FPI dá uma melhor discriminação devido o entalhe de franja mais estreito (Figura 1C). Enquanto a alta-fineza Si-FOSP tem melhor resolução, o baixo-fineza Si-FOSP tem uma maior gama dinâmica. Portanto, a escolha entre estas duas versões depende das exigências de uma aplicação específica. Além disso, devido à grande diferença de largura total no máximo meia (FWHM) do silício fineza de baixa e alta-finesse FPUs, seus métodos de demodulação do sinal são diferentes. Por exemplo, a FWHM teórica de 1.5 nm é reduzido por sobre 50 vezes para apenas 30 pm quando ambas as extremidades do silício única FPI são revestidas com uma camada de HR de 98%. Portanto, para o baixo-fineza Si-FOSP, um espectrômetro de alta velocidade seria suficiente para a coleta de dados e processamento, enquanto um escaneamento laser deve ser usado para demodular o alta-fineza Si-FOSP devido a FWHM muito mais estreita que não pode ser resolvido por bem o espectrômetro. Os dois métodos de demodulação serão explicados no protocolo.
O material de silicone escolhido aqui é superior para sensores de temperatura em termos de resolução. Como comparação, o TOC e TEC de silício são 1.5×10-4 RIU / ° C e 2.55×10-6 m/(m∙°C), respectivamente, levando a uma sensibilidade de temperatura de cerca de 84.6 pm / ° C, que é cerca de 6,5 vezes maior que a de todos baseados em sílica FOSs2. Além desta muito maior sensibilidade, demonstrámos um comprimento de onda médio rastreamento método para reduzir o nível de ruído e assim melhorar a resolução de um sensor de baixo-fineza, levando a uma resolução de temperatura de 6 x 10-4 ° C 2, em comparação com a resolução de 0,2 ° C para uma todas baseadas em sílica FOS3. A resolução é melhorada para ser 1.2×10-4 ° C para uma versão de alta-fineza4. O material de silicone também é superior para sensoriamento em termos de velocidade. A título de comparação, a difusividade térmica de silício 8.8×10-5 m/s2, que é mais de 60 vezes maior que a de silicone2. Combinado com uma pegada pequena (por exemplo, 80 µm de diâmetro, 200 µm de espessura), o tempo de resposta de 0,51 ms para um silício que FOS tem sido demonstrado a2, em comparação com os ms 16 de um acoplador de microfibra de sílica ponta temperatura sensor5. Embora algumas pesquisas trabalho relacionado à medição da temperatura usando a película muito fina de silício, como o sensoriamento material foi relatado por outros grupos6,7,8,9, nenhum deles possui o desempenho de nossos sensores em termos de velocidade ou de resolução. Por exemplo, o sensor com uma resolução de apenas 0,12 ° C e um tempo de resposta longo de 1 s foi relatado. 7 que uma melhor resolução de temperatura de 0,064 ° C tem sido relatado,10; no entanto, a velocidade é limitada pela cabeça sensor relativamente volumosos. O que torna as mentiras de Si-FOSP exclusivas no novo método de fabricação e algoritmo de processamento de dados.
Além das vantagens acima para sensores de temperatura, o Si-FOSP também pode ser desenvolvido em uma série de sensores de temperatura-relacionada com o objetivo de medir parâmetros diferentes, tais como gás pressão11, ar ou água fluir12,13 ,14 e radiação4,15. Este artigo apresenta uma descrição detalhada do sensor protocolos de demodulação de fabricação e sinal juntamente com três aplicações representativas e seus resultados.
Protocol
Representative Results
Discussion
A escolha do tamanho (comprimento e diâmetro) do silício FPI é feita mediante a compensação entre os requisitos da resolução e velocidade. Em geral, um tamanho menor fornece uma velocidade maior, mas também reduz a resolução2. Um comprimento curto é vantajoso para a obtenção de uma maior velocidade, mas não é superior para a obtenção de uma alta resolução devido a FWHM expandida de entalhes da reflexão. Uso de revestimentos HR para reduzir a FWHM pode ajudar a melhorar a resolu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo laboratório de pesquisa Naval dos Estados Unidos (n º s. N0017315P0376, N0017315P3755); Estados Unidos escritório de pesquisa Naval (n º s. N000141410139, N000141410456); Departamento de energia dos EUA (n º s. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).
Materials
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1001 | |
| 5 Channels Duplex CWDM | Fiber Store | 5MDD-ABS-FSCWDM | |
| Butterfly Laser Diode Mounts | Tholabs | LM14S2 | |
| CastAway CTD | Yellow Springs Instrument | ||
| CTD | Seabird | SBE 19plus | |
| Current Meter | Nortek | Vector | |
| Data Acquisition Device | National Instruments | NIUSB4366 | |
| Digital Oscilloscope | RIGOL | DS1204B | 200 MHz 2 GSa/s |
| Diode Laser | Thorlabs | LM9LP | Wavelength: 632 nm |
| Fixed BNC Terminator Kit | Thorlabs | FTK01 | |
| Function Waveform Generator | RIGOL | DG4162 | 160 MHz 500 GSa/s |
| High Precision Cleaver | Fujikura | CT-32 | |
| High Reflection Dielectric Coating | Evaporated Coating INC (ECI) | Materials and structure of the coating are unknown | |
| I-MON 512 Spectrometer | Ibsen Phtonics | P/N: 1257110 | |
| InGaAs Biased Detector | Tholabs | DET01CFC | FC/PC output:0-10V; Quantity: 2 |
| Laser Diode | Qphotonic | QFLD-405-20S | Wavelength: 405 nm |
| Laser Diode Current Controller | Tholabs | LDC 210C | 1 A and 100 mA range |
| Laser Diode Temperature Controller | Tholabs | TEC 200C | Quantity: 2 |
| Latex Examination Gloves | HCS | ||
| Micro Slides | Corning Incorporated | ||
| Narrow Linewidth DFB Laser | Eblana | EP1550-NLW-B06-100FM | Wavelength:1550 nm |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Sumitomo electric industries, LTD | 3822-2 | |
| Optical Microscope and Monitor | Ikegami Tsushinki Company | PM-127 | |
| Optical Spectrum Analyzer | Yokogawa | AQ6370C | wavelength range: 600-1700 nm |
| Polish Machine | ULTRA TEC | 41076 | |
| Post-mountable Irises | Thorlabs | Quantity: 2 | |
| Pump Laser | Gooch and Housego | 0400-0974-SM | Wavelength: 980 nm |
| Si Amplified Photodetector | Thorlabs | PDA36A | Wavelength: 350-1100 nm |
| Silicon wafer | University Wafer | thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm | |
| Single mode fiber | Corning | SMF-28 | |
| Single Mode Fused Fiber Coupler | Thorlabs | Wavelength: 1550 nm | |
| SM 125 interogrator | Micron Optics | ||
| Submersible Aquarium Pump | Songlong | SL-403 | |
| Superluminscent LED | Denselight Semiconductors | DL-BP1-1501A | wavelength range:1510-1590 nm |
| Syringe Pump | Cole Parmer | 74905-02 | |
| Travel Translation Stage | Thorlabs | LT1 | |
| UV curable glue | Epoxy Technology | PB109077 | |
| UVGL-15 Compact UV Lmap | UVP | P/N:95-0017-09 | 254/365 nm |
| Variable Optical Attenuators | Tholabs | M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC |
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